第一作者：李真
通讯作者：王正华，张金锋
通讯单位：安徽师范大学化学与材料科学学院，淮北师范大学物理与电子信息学院
此论文是S型光催化剂专刊邀请稿，客座编辑：余家国教授、代凯教授
主要亮点
解决了CdSe-DETA材料固定带隙结构的缺陷，展示了一种调制载流子转移机制的策略，可为开发高效的析氢光催化剂提供借鉴；通过差分电荷密度理论计算结合实验结果证实了复合材料异质结处的电荷转移机制为S-scheme；S-scheme异质结的存在可以有效地分离光生电子-空穴对，最大程度地利用体系的氧化和还原能力，高效且稳定地光催化析氢。
研究背景
近年来，氢气作为一种新型的清洁能源备受关注。氢气的燃烧热很大，且产物只有水，完全符合绿色环保可持续性能源的特点。因此，解决氢能源的生产方法就可以有效地解决能源危机问题。自TiO2在1972年作为光催化剂分解水生成氢气开始，半导体光催化剂分解水制氢登上了历史的舞台。然而，单一组分光催化剂的固有缺点限制了它的实际应用，寻找克服单一组分光催化剂缺点的解决方案仍然具有挑战性。相对于单一的光催化剂而言，复合材料光催化剂可以更有效地分离光生电子和空穴，提高光催化析氢反应的速率。复合材料光催化剂异质结处载流子转移机制有多种类型。通过调控组分半导体的能带结构，使组分半导体之间形成合适的异质结（如：S-scheme），可以进一步提升催化剂的光催化析氢活性和稳定性。本文通过改变合成条件获得了一系列具有不同带隙宽度的CdSe-DETA光催化剂1；选择合适带隙的CdSe-DETA纳米花负载在In2O3多孔纳米片表面，构建了In2O3/CdSe-DETA纳米复合材料，以提升光催化析氢活性，稳定性和光电流响应2；通过差分电荷密度理论计算结合实验结果证实了In2O3/CdSe-DETA复合材料异质结处的电荷转移机制为S-scheme3；S-scheme异质结的存在解释了纳米复合材料可以高效且稳定地光催化析氢的内在原因。
核心内容
1 CdSe-DETA光催化剂的带隙调控
光催化剂的带隙宽度对于其性能有重要的影响。我们发现，当改变合成CdSe-DETA的反应时间和温度时，所获得的产物具有不同的带隙宽度。因此，可以通过控制反应的温度和时间，实现对CdSe-DETA带隙的精准调控。对CdSe-DETA带隙的调控不仅能影响CdSe-DETA的光催化性能，更为重要的是可以让CdSe-DETA更好地匹配其他半导体材料，从而构建具有合适能带结构的复合材料，进一步提升其光催化析氢活性和稳定性。
图1 精准调控CdSe-DETA光催化剂带隙及其纳米复合材料异质结处机理
2 In2O3/CdSe-DETA纳米复合材料优秀的光化学和电化学特性
选择具有不同带隙宽度的CdSe-DETA，可跟In2O3组成具有Type-Ⅰ或S-scheme异质结的In2O3/CdSe-DETA纳米复合材料。光催化实验结果显示，具有S-scheme异质结的In2O3/CdSe-DETA纳米复合材料表现出高效且稳定的光催化析氢活性，且相对于单一的CdSe-DETA其性能提升明显。
3 S-scheme异质结的证明
S-scheme异质结相对于其他类型的异质结具有诸多的优点，如：S-scheme异质结的存在可以有效地分离光生电子-空穴对，最大程度地利用体系的氧化和还原能力，高效且稳定地光催化析氢。我们结合理论计算中的差分电荷密度，EPR以及光催化实验证实了In2O3/CdSe-DETA纳米复合材料中S-scheme异质结的存在。S-scheme异质结的存在是In2O3/CdSe-DETA纳米复合材料具有高效且稳定的光催化析氢活性的内在原因。
结论与展望
总之，通过改变反应温度和时间可以精准地调控CdSe-DETA光催化剂的带隙。随着CdSe-DETA带隙宽度的改变，In2O3/CdSe-DETA纳米复合材料的异质结的类型可从Type-Ⅰ转变为S-scheme。光催化实验结果表明S-scheme异质结可以有效地提高单一光催化剂的光催化析氢活性和稳定性。通过理论计算中的差分电荷密度，EPR以及光催化实验证实了In2O3/CdSe-DETA纳米复合材料中S-scheme异质结的存在。本研究提供了一种调控复合光催化剂中载流子转移机制的方法，可为改善复合光催化剂的活性和稳定性提供一定的借鉴。
原文链接
http://www.whxb.pku.edu.cn/EN/10.3866/PKU.WHXB202208030
通讯作者
王正华
1974年生，安徽师范大学教授，博士生导师，2005年于中国科学技术大学获得博士学位。主要从事电化学催化、光催化方面的研究。
张金锋
1980年生，淮北师范大学物理与电子信息学院副教授，硕士生导师，主要从事半导体纳米光催化材料制备及其应用、第一性原理计算研究。先后主持国家自然科学基金项目青年项目和面上项目，安徽省优秀人才支持重点项目，博士后科学基金面上项目，安徽省高校自然基金重大和重点项目。研究成果在催化学报，Appl. Catal. B, J. Hazard. Mater., ACS Sustain. Chem. Eng., Chem. Eng. J.等多种国际期刊发表SCI论文80余篇，SCI他人引用5000余次，其中ESI1‰热点论文4篇，ESI1%高被引论文19篇，H因子43。
